基于物联网的空巢老人智能家居设计

1系统的总体设计

1.1总体工作流程

该系统具体各板块的架构关联可通过图1.1进行观察。

图1.1 系统各板块关联架构示意图

（1）红外传感装置利用红外波对可监控区域内的老人进行实时监测，通过检测老人的活动情况来判断其是否存在异常行为或是否需要及时援助。该装置可以精准地感知老人的位置和动态，进而提供有效的监控和保护。当老人的活动路径或行为出现异常时，系统将及时反馈信息给监护人员，以便他们能够迅速采取相应的措施，保障老人的安全和健康。这种红外传感技术不仅提高了老人照护的效率和可靠性，也为老人提供了更加贴心的关怀和保护。

（2）防跌倒传感模块是一种利用先进的传感技术来监测老年人在家中是否发生跌倒事件的装置。通过该模块，可以实时准确地判断老人是否发生跌倒，并将相关信息即时传送至主系统，使监护人或医护人员能够及时做出反应。同时，该系统的数据中心可以对获得的信息进行分析评估，从而确定老人是否真的发生了跌倒，避免误报或漏报的情况发生。这种智能化的防跌倒传感模块在老年人家庭护理中起到了至关重要的作用，能够有效帮助老人提高生活质量，保障他们的安全与健康。

（3）操作终端主要指用户的家庭成员的手机或其他监护主体（如社区、医院等）的手机。通过这些移动终端设备，可以实时监测老人的健康和安全状况，包括心率、血压、体温等关键指标的监测。通过这些移动终端设备，可以实时监测老人的位置信息，一旦发生意外或紧急情况，监护人可以立即接收到通知，并及时采取行动，采取必要的救援措施，或者通知相关部门协助救援。

1.2系统服务模式

本文将居家养老服务系统分为户内模式、休息模式和户外模式三种应用模式。户内模式是一个基于网络环境下的应用模式，而户外模式则是基于远距离实时监控的预警模式。

（1）户内模式功能

该模式顾名思义主要是针对老人在屋内活动及作出行为的实时监控与信息的收集，依据风险要素来分辨哪些行为或是活动时危险状态，一旦发生紧急情况就会立刻求援。

（2）睡眠模式功能

该模式往往是在老人睡觉的时候开启，对老人的睡眠进行实时监控。老人需要在睡觉前启动该模式，而该模式下大部分功能都将关闭，不过传感装置以及求援功能还可以使用。不同老人的睡眠习惯与行为决定不同的风险要素，如果传感装置连续多次收集到老人活动的信息，那么就会告知长者关掉休息模式。如果没有反应，则被评估为是不正常的。老年人可以预先确定他们何时入睡和醒来，系统会将预先输入的数据信息存到数据库之中并且注释为健康。

（3）户外模式功能

在该模式下，不会影响到户内模式的功能运行，但是在模式下具体的风险要素评估则不能仅仅通过既定的要素来进行评估，假设传感装置持续收集到多个危险动态信号，那么就会告知老人及时切换模式，假如老人对此毫无反应，那么系统就会认定此时老人已陷入危险状态。

2系统的硬件设计

2.1 硬件结构选择

首先，在选择硬件组件时，应遵循“适用性原则”。即根据空巢老人的实际需求，选择能够满足其日常生活监控、安全防护、健康管理等功能的硬件。同时，考虑到老人的操作习惯和能力，硬件设备的操作界面应尽可能简洁易懂。

（1）核心设备组成

系统硬件平台的核心设备主要包括传感器节点、通信模块、控制中心和显示终端。传感器节点负责采集环境数据，如温度、湿度、烟雾浓度等，以及老人的生理数据，如心率、血压等。通信模块负责将采集到的数据传输到控制中心。控制中心是整个系统的“大脑”，负责数据处理和指令下发。显示终端则用于向老人展示相关信息和接收操作指令。

（2）硬件连接与通信协议

在硬件连接方面，需要选择合适的通信协议，确保各硬件组件之间能够高效、稳定地传输数据。常用的通信协议有ZigBee、WiFi、蓝牙等。根据实际需求和数据传输量，选择合适的通信协议，可以有效提高系统的整体性能。

（3）供电与安全防护

对于供电系统，应选择稳定可靠的电源设备，确保在系统长时间运行过程中不会出现断电或电压不稳的情况。同时，考虑到老人的安全，硬件平台还应具备过载保护、防雷击等安全防护功能。

（4）可扩展性与未来升级

在搭建硬件平台时，还应考虑系统的可扩展性和未来升级的可能性。随着技术的不断进步和老人需求的变化，系统可能需要添加新的功能或升级现有设备。因此，硬件平台的设计应具备一定的灵活性，能够方便地添加新设备或升级软件。

图2.1 系统硬件结构设计

2.2 微控制处理器

硬件终端的核心微处理器是硬件终端功能的基础，它需要具备多方面的要求才能实现硬件终端的高效运行和功能扩展。首先，核心微处理器的制造成本必须足够低廉，以确保整个设备的价格可以被市场接受，并且要能够大规模生产与配置，以满足市场需求。其次，核心微处理器的电能消耗必须尽可能地低，以减少在运行时对屋内电源的占用，同时要保证工作能力强，可以支持各种应用场景的需求，并且能够拓展其他模块，实现更多功能。

在这个背景下，选择英蓓特公司生产的芯片EM-STM3210E作为核心微处理器是非常合适的。这款处理器是基于ST意法半导体STM32系列处理器设计的，具有丰富的功能接口，是一个非常适合应用开发的平台处理器。EM-STM3210E处理器具有功耗低、价格便宜、稳定性强的优点，工作频率为72MHz，支持USB接口、CAN总线接口、SD卡接口等，还可扩展内存，拥有128MB闪存和128KB静态随机存取存储器。它可以采用5V直流电压供电，也可以通过USB端口进行电源供应，具有高度的兼容性和灵活性。

图2.2 处理器EM-STM3210E

图2.3 数据收集步骤示意图

2.3 温度传感器

经过深入的市场调研与性能比对，我们最终决定选用型号为DS18B20的温度传感器作为此次系统的核心测温装置。DS18B20以其卓越的性能表现和广泛的适用性，在众多同类产品中脱颖而出。该传感器体积小巧，整体规格轻便，不仅便于在各类空间有限的场合进行安装部署，同时也极大地降低了系统的整体重量，提升了便携性。

在精确度方面，DS18B20展现了极高的水准。其测量数据准确可靠，能够稳定地反映出温度的真实变化，这对于确保系统测温的准确性至关重要。同时，该传感器还具备出色的稳定性，能够在各种复杂环境下保持稳定的性能表现，不易受到外界因素的干扰。

值得一提的是，DS18B20的工作电压范围宽泛，适应性强，能够在3V-5V的电压范围内正常工作，这极大地提高了其在不同电源条件下的适用性。此外，其测温范围涵盖了从-55℃到+125℃的广泛区间，足以应对大部分实际应用场景中的温度测量需求。

综上所述，DS18B20以其小巧的体积、轻便的规格、高精确度、强稳定性以及宽泛的工作电压和测温范围，成为我们此次系统设计的理想温度传感装置。我们相信，在DS18B20的支持下，我们的系统将能够实现更加精准、稳定的温度测量，为相关领域的研究和应用提供有力的技术支持。

图2.4 温度信息收集电路架构示意图

2.4 红外传感器模块

在图2.5所呈现的红外传感器工作电路图中，我们可以清晰地看到电阻R1与微处理器之间建立了稳定的连接关系。这种连接不仅确保了传感器数据的准确传输，还实现了对微处理器的有效控制，使得整个系统能够根据红外传感器的实时反馈进行精确响应。电阻R2则负责连接直流稳压电源，其电压范围设定在3V至5V之间，这样的设计既保证了红外传感器能够稳定工作，又避免了因电压过高或过低而可能引发的设备故障或性能下降。

整个工作系统的构建，不仅体现了电路设计的科学性和合理性，更展示了其在监测老人活动方面的实际应用价值。通过红外传感器对老人活动的实时监测，系统能够准确捕捉老人的行动轨迹和姿态变化，从而为后续的健康管理和生活照顾提供重要的数据支持。这种技术支持不仅提升了老人日常生活的便利性和安全性，也为老年人的健康管理和疾病预防提供了有力的科技保障。

图2.5 红外传感器工作电路图

2.5 烟雾传感器

图2.6 烟雾信息收集电路架构示意图

该特定板块的传感装置内部设计精巧，集成了关键的A/D（模拟/数字）转化单元。这一单元的引入，使得整个系统能够更为精准地处理与解读环境信息。最初，电路收集到的信息为模拟信号，这种信号虽然包含了丰富的环境细节，但在处理与传输上却存在诸多不便。而经过A/D转化单元的处理后，模拟信号被高效转化为数字信号，为后续的数据处理与分析提供了极大便利。

在这一过程中，传感装置内的引脚4与6扮演着至关重要的角色。它们上的电压变化，是传感装置向外部传输信号的主要方式。当装置内部的Rs单元——这一预设电阻——受到环境因素影响而发生变化时，引脚4与6上的电压也会随之调整。

2.6 防跌倒传感器模块

在实验的最后阶段，我们计划借助SPI（串行外设接口）端口将所设计的装置与中央处理单元（CPU）进行直接连接。此举的目的在于确保数据能够在第一时间得到高效传输与实时监测，从而极大地提升数据处理的实时性与准确性。SPI端口以其高速、稳定的特点，成为实现这一目标的不二之选。

关于传感装置的具体架构形式，我们已经在图2.7中进行了详尽的展示。图中，传感装置的各个组成部分及其相互间的连接关系均被清晰地呈现，有助于读者深入了解其内部结构与工作原理。通过细致观察图2.7，读者不仅能够了解传感装置的基本架构，还能进一步理解其与CPU之间如何通过SPI端口实现高效连接与数据传输。

通过采用这种直接连接的方式，我们期望能够在实际应用中，实现对各种环境参数或物理量的实时、精确测量，为相关领域的研究与应用提供有力支持。同时，这也将为我们后续对传感装置进行性能优化与功能拓展奠定坚实基础。

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